METHOD FOR STUDYING THE POROSITY OF FLUID PHASE SAMPLES BY X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

K. N. Akifyev; Акифьев К. Н.; E. O. Statsenko; Стаценко Е. О.; V. V. Smirnova; Смирнова В. В.; N. V. Kharin; Харин Н. В.; P. V. Bolshakov; Большаков П. В.; O. A. Sachenkov; Саченков О. А.

doi:10.15593/perm.mech/2023.2.02

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ ОБРАЗЦОВ С ЖИДКОСТЬЮ РЕНТГЕНОВСКИМ КОМПЬЮТЕРНЫМ ТОМОГРАФОМ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

Авторы: Акифьев К.Н.¹, Стаценко Е.О.¹, Смирнова В.В.¹, Харин Н.В.¹, Большаков П.В.¹, Саченков О.А.²
Учреждения:
1. Казанский (Приволжский) федеральный университет
2. Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева
Выпуск: № 2 (2023)
Страницы: 11-21
Раздел: Статьи
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/3778
DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.2.02
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Развитие композиционных материалов и изделий со сложной внутренней структурой ставит во- прос об использовании экспериментальных методов для определения напряженно-деформированного состояния. Стандартные экспериментальные методы, применяемые к образцам с негомогенной внут- ренней структурой, не позволяют получить полную картину о внутренних изменениях материала при нагружении. А наличие внутренних дефектов, пористости, а также локальная потеря устойчивости могут значительным образом повлиять на получаемые результаты. Несмотря на развитие как самих томо- графов, так и методов обработки данных, большинство исследований над образцами производятся в статике, то есть без приложения внешней нагрузки. В данном исследовании представлена методика исследования пористости образцов рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии. С этой целью была изготовлена специальная оснастка, позволяющая нагружать образец внутри томо- графа, отдельно была разработана методика проведения испытаний. Оснастка позволяет не только передавать осевое усилие сжатия, но и фиксировать соответствующую величину нагрузки. Область размещения исследуемого образца обладает большой рентгенологической просветностью, что умень- шает артефактное излучение. Для определения реперных точек при нагружении использовалась кон- трастная медная сетка. Для количественной оценки перемещений применен модифицированный детек- тор Харриса. Для оценки перемещений внутри образца перемещения реперных точек интерполирова- лись на регулярную начальную сетку. Для иллюстрации методики были спроектированы и изготовлены с помощью аддитивных технологий образцы для испытаний. Проведены серии нагружений и сканиро- ваний томографом для двух образцов: сплошной и образец со сфероидальными порами с жидкостью. Данные томографии обрабатывались согласно разработанной методике. В результате были получены поля перемещений образцов, величины пористости, объемной деформации и их распределение по образцу для каждого шага нагружения. Определено возрастание величины пористости при нагружении образца со сфероидальными порами с жидкостью. Предложена гипотеза, что при нагружении объем поры с жидкостью остается постоянным, но объем материала вокруг поры уменьшается. С целью про- верки данной гипотезы был проведен анализ объемной деформации.

Ключевые слова

компьютерная томография, напряженно-деформированное состояние, пористость, поры с жидкостью, неоднородные материалы, эксперимент.

Полный текст

Развитие композиционных, сложноструктурирован- ных материалов и изделий ставит вопрос о развитии экспериментальных методов определения напряженно- деформированного состояния (НДС). Неравномерность и негомогенность внутренней структуры ограничивают результаты, получаемыми стандартными эксперимен- тальными методами, и не дают полной картины о работе материала или изделия. Более того, наличие внутренних дефектов, локальная потеря устойчивости могут значи- тельным образом повлиять на получаемые результаты. На данный момент существует множество экспери- ментальных методов, позволяющих определить НДС экспериментально, но эти методы в большей степени ограничены оценкой на поверхности исследуемого об- разца. Обычно в таких методах измеряются перемеще- ния поверхностных точек деформируемых тел как пря- мыми, так и косвенными методами. Известные соотно- шения механики твердого тела позволяют связать поверхностные деформации и напряжения, поэтому из- мерение кинематических параметров является опреде- ляющим при исследовании НДС конструкций. Рассмот- рим подробнее наиболее распространённые методы. Широкое распространение получило использование электротензометрических датчиков [1; 2]. Данный ме- тод относится к контактным методам и основан на оп- ределении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков, усилителей и регист- рирующей аппаратуры. Тензодатчик приклеивается к поверхности исследуемого образца и работает как резистор, при этом поверхностные деформации приво- дят к изменению площади поперечного сечения рези- стора, что, в свою очередь, изменяет электрическое со- противление. Но при этом метод обладает и недостат- ками, а именно: трудоемкость установки при большом количестве датчиков, большое количество отходящих проводов от тензодатчиков, чувствительность к элек- трическим и тепловым помехам. Также к минусам мож- но отнести локальность оценки НДС, то есть предвари- тельно для установки датчиков необходимо выяснить интересующие места, такие как: зоны образования тре- щин, зоны концентрации напряжений. К бесконтактным оптическим методам относятся как интерферометрические методы: голографическая интерферометрия, спекл-интерферометрия, так и неин- терферометрические методы: метод фотокорреляции (DIC) и метод фотоупругости [3]. Метод фотоупругости требует изготовление образца из фоточувствительного материала, что, очевидно, сни- жает применимость для композиционных материалов. Интерферометрические методы требуют использования когерентного источника света, а само испытуемое изде- лие должно находиться на виброизолирующем стенде, при этом получаемая информация характеризует только поверхностные напряжения [4]. Неинтерферометрические методы определяют де- формацию на поверхности изделий путем сравнения интенсивности цвета пикселей до и после деформации. Двумерный метод фотокорреляции является визуаль- ным неинтерферометрическим методом определения НДС на поверхности испытуемого образца, основным принципом которого является поиск одинаковых участ- ков изображения (пикселей) на двух разных изображе- ниях, до и после деформации соответственно [5; 6]. Для вычисления перемещения заранее выбранной ре- перной точки на изображении выделяется квадратный участок пикселей с центром в какой-то точке. Далее про- изводится нагружение образца с последующей съемкой, а с помощью специальных алгоритмов определяются пе- ремещения реперных точек в разные моменты времени. К недостаткам метода можно отнести то, что его реализа- ция и получение каких-либо реальных результатов напря- мую связано с качеством оборудования, эксперименталь- ного стенда и окружения, в котором проводится фо- то/видеосъемка. Метод чувствителен к возможным вибрациям, засветам и шумам на итоговых изображениях. Описанные выше методы характеризуются иссле- дованием механических свойств на некотором поверх- ностном слое образцов, без оценки внутренней структу- ры. Кроме того, для современных материалов внутрен- няя структура является зачастую определяющей. Под внутренней структурой часто принимается по- ристость материала. Она характеризуется комплексом параметров: формой, объемом, протяженностью, плот- ностью расположением пор в материале и многим дру- гим. Но стоит остановиться на открытом или закрытом характере пор. Открытые поры – это поры, которые со- общаются с поверхностью тела и участвуют в фильтра- ции жидкости или газа при наличии градиента давления на пористом теле. Закрытая пора не сообщается с по- верхностью тела. Существует множество методов для исследования пористой структуры материала с откры- тыми порами, такие как визуально-оптические, методы, основанные на световой микроскопии, капиллярные, методы термопорометрии, жидкостной и газовой волю- мометрии, заполнения пор жидкостью и др. Однако только методы, основанные на анализе рассеяния излу- чений (характере изменения интенсивности при прохо- ждении через материал) способны дать оценку порис- той структуры материала не только с открытыми пора- ми, но и с закрытыми. К ним можно отнести методы, использующие ультразвуковое излучение, рентгенов- ское излучение (КТ или РКТ) [7–10]. Ультразвуковая диагностика внутренней структуры основывается на том, что колебания с высокой частотой (примерно 20 тысяч Гц) способны проникать в материал и отражаться от дефектов [11; 12]. Узконаправленная волна, создаваемая дефектоскопом, проходит сквозь проверяемое изделие. При наличии дефекта она распро- страняется с отклонениями, которые можно зафиксиро- вать на экране прибора. Показания, полученные в ходе УЗК, позволяют узнать информацию о характере выяв- ленного дефекта. Например: по времени прохождения ультразвукового сигнала – измеряется расстояние до неровности, по амплитуде колебания отражённой волны – примерные размеры дефекта. К основным не- достаткам данного метода можно отнести: – не любой материал пригоден под использование данного метода (высокий коэффициент затухания, раз- нородность); – требуется тщательная подготовка поверхности проверяемого изделия, чтобы между ней и прибором не было даже малейшего воздушного зазора; – во многих случаях этот метод не позволяет полу- чить информацию об истинных размерах дефекта; – трудности с анализом изделий сложной формы и малых размеров. Одним из наиболее распространённых современ- ных методов оценки внутренней структуры материала является компьютерная томография (КТ) вообще и рентгеновская компьютерная томография (РКТ) в ча- стности. Множество исследований направлено на раз- работку методов исследования структуры материала по данным компьютерной томографии [13; 14]. Среди них можно выделить методы, основанные на некото- рых осредненных величинах (определение пор по чис- лу Хаунсфилда), и методы, основанные на восстанов- лении геометрии (сегментация) [15–22]. Во время про- цесса сканирования на РКТ измеряется затухание рентгеновского луча при его прохождении через мате- риал образца. Когда параллельный монохроматиче- ский рентгеновский пучок проходит через вещество с одинаковой плотностью и одинаковым атомным но- мером, он экспоненциально затухает. Линейный коэф- фициент затухания μ определяется как относительное уменьшение интенсивности рентгеновского излучения на единицу длины этого материала. Как правило, ли- нейный коэффициент затухания нормализуется к ко- эффициенту стандартного материала (например, воды или воздуха). Это означает, что каждому материалу присваивается неизменный номер, который помогает рассчитать номер другого материала и определяется как единицы Хаунсфилда (HU). По числу Хаунсфилда нетрудно отделить материал образца от его пор. Сегментация пор в томографии про- исходит после сканирования РКТ, когда на диаграмме распределения числа HU определяются n диапазонов, по которым можно определить, какой диапазон соот- ветствует какому материалу. Несмотря на развитие как самих РКТ, так и методов обработки данных, большин- ство исследований над образцами производятся в стати- ке, то есть без приложения внешней нагрузки. Поэтому целью настоящего исследования стала раз- работка метода исследования внутренней структуры и напряженно-деформированного состояния образца при одноосном сжатии с применением РКТ.

Об авторах